第3章 超声波发射声场与反射体的回波声压00

1第3章超声波发射声场与反射体的回波声压主讲教师：王秋萍Xi'anPolytechnicUniversity23.1纵波发射声场3.2横波发射声场3.3规则反射体的回波声压3.4AVG曲线Xi'anPolytechnicUniversity主要内容3

圆盘波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场纵波声场近场区在两种介质中的分布3.1纵波发射声场Xi'anPolytechnicUniversity4

活塞声源：理想的圆盘声源是指圆形平面的声振动源，当它沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度的幅值和相位都是相同的，这样的声源称为活塞声源，发射的波为活塞波。一.圆盘波源辐射的纵波声场Xi'anPolytechnicUniversity声源（圆形压电晶片）→纵波→在无粘滞性的水中传播。51.波源轴线上的声压分布

面元dS辐射的球面波在波源轴线上Q点引起的声压为：

圆盘波源上各面元在轴线上任一点Q引起的声压为：Xi'anPolytechnicUniversity6(1)

波源轴线上Q点声压幅值为：Xi'anPolytechnicUniversity上式表明，圆盘轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。

波源轴线上的声压随距离变化关系图7(2)近场区(菲涅尔区)：波源附件由于波的干涉而出现的一系列声压极大极小的区域。Xi'anPolytechnicUniversity近场区长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离，用N表示。(3)远场区：波源轴线上的至波源的距离x>N的区域。

远场区轴线上的声压随距离的增加单调减少，当x>3N时，声压距离成反比。

在近场区检测定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免近场区检测定量。8近场区长度的推导过程：Xi'anPolytechnicUniversity结论：近场区长度与波长成反比（与频率成正比），与声源面积成正比。9Xi'anPolytechnicUniversity圆形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系102.超声场横截面声压分布在当x<N的近场区内，存在中心轴线上声压为0的截面，如x=0.5N的截面，中心声压为0，偏离中心声压较高。在x≥N的远场区内，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，且同一横截面上的声压的分布是完全对称的。Xi'anPolytechnicUniversity11圆盘源声压沿轴线和横截面分布图

在x≥N的远场区内，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，且同一横截面上的声压的分布是完全对称的。Xi'anPolytechnicUniversity123.波束指向性与半扩散角(1)波源轴线外任一点的声压为Xi'anPolytechnicUniversity结论：圆形声源辐射的声场中，轴线外任一点的声压与声源面积成正比，与距离r成反比，同时还方向θ而变。相同距离不同方向的位置上，声压是不均匀的。当θ=0º时，声场的声压最大。13Xi'anPolytechnicUniversity(2)波束指向性与半扩散角波源充分远处任意点的声压P(r,θ)与波源轴线上同距离处声压P(r,0)之比，称为指向性系数，用D(θ)表示。14(1)D(θ)

≤1

。(4)在超声波主波束之外存在一些副瓣，能量很小。结论：Xi'anPolytechnicUniversity(3)当y>3.83，即θ>θ0时，说明超声能量主要集中在半扩散角内。15Xi'anPolytechnicUniversity上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。164.波束未扩散区与扩散区Xi'anPolytechnicUniversity17例题：若用f=2.5MHz，D=20mm的直探头检测钢工件(声速cL=5900m/s)，那么近场长度N，半扩散角θ0和未扩散区长度b分别是多少？解：Xi'anPolytechnicUniversity18二.矩形波源辐射的纵波声场1.波源轴线外的声压分布Xi'anPolytechnicUniversity192.指向性与半扩散角Xi'anPolytechnicUniversity203.近场区长度Xi'anPolytechnicUniversity21正方形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系Xi'anPolytechnicUniversity左图表明：矩形晶片尺寸越大，近场长度越大，越不利于检测。22Xi'anPolytechnicUniversity矩形晶片辐射声场的数值计算结果上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。23矩形晶片（两平面）辐射声场声压分布（数值模拟）Xi'anPolytechnicUniversity24三、纵波声场近场区在两种介质中的分布Xi'anPolytechnicUniversity25例题：用f=2.5MHz，Ds=14mm的纵波直探头水浸法检测钢板。已知水层厚度为20mm，水中声速为c1=1480m/s，c2=5900m/s，求钢中近场长度。Xi'anPolytechnicUniversity26四.实际声场与理想声场的比较Xi'anPolytechnicUniversity27序号实际声场理想声场1差异固体介质，声压不能线性叠加液体介质，声压可进行线性叠加脉冲波非均匀激发连续波均匀激发不完全干涉或不干涉完全干涉，干涉大频率不是单一的频率单一衰减系数α≠0衰减系数α=02<N极大值Pmax<2P0；极小值Pmin>0极大值Pmax=2P0；极小值Pmin=0波动幅度小波动幅度大3>N轴线上声压单调递减4>3N轴线上声压：Px=P0FS/λx扩散角：θ0=sin-1(1.22λ/D)实际声场的波束比理想声场波束指向性更好，波束更集中。近场区长度：N=

D2/4λ；未扩散区：b=

1.64NXi'anPolytechnicUniversity28

假想横波波源横波声场的结构3.2横波发射声场Xi'anPolytechnicUniversity29一.假想横波波源Xi'anPolytechnicUniversity302.近场区长度第二介质中近场区长度二.横波声场的结构1.波束轴线上的声压Xi'anPolytechnicUniversity31[例1]试计算2.5MHz、14mm×16mm方晶片K1.0和K2.0横波探头的近场长度N（钢中横波声速为cS=3230m/s）。

解：Xi'anPolytechnicUniversity32

[例2]有一2.5MHz、10mm×12mm方晶片K2.0横波探头，其有机玻璃中入射点至晶片的距离为12mm，求此探头在钢中的近场长度N'（钢中横波声速为cS=3230m/s）解：Xi'anPolytechnicUniversity33(1)纵波斜入射3.半扩散角Xi'anPolytechnicUniversity34(2)横波垂直入射注意：在条件相同的条件下，横波声束的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。Xi'anPolytechnicUniversity35

平底孔回波声压圆柱形反射体球孔回波声压大平底回波声压圆柱面回波声压3.4规则反射体的回波声压Xi'anPolytechnicUniversity36

当量法：是指在同样的检测条件下，当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。

反射法：根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。Xi'anPolytechnicUniversity37一.平底孔回波声压Xi'anPolytechnicUniversity38二.圆柱形反射体

圆柱形反射体的回波声压：是指超声波垂直入射到圆柱侧面时的小直径圆柱形反射体的反射声压。

横孔：是实际检测中，在试块中制作轴线平行于入射面人工钻孔，用侧面做反射体，称为横孔。根据横孔的长度与入射声束尺寸的关系，横孔分为长横孔和短横孔。Xi'anPolytechnicUniversity391.长横孔回波声压Xi'anPolytechnicUniversity40问题：试用球面波在柱面上的反射声压公式推导此声压公式。Xi'anPolytechnicUniversity412.短横孔回波声压Xi'anPolytechnicUniversity42三.球孔回波声压Xi'anPolytechnicUniversity43问题：试用球面波在球面上的反射声压公式推导此声压公式。Xi'anPolytechnicUniversity44四.大平底回波声压Xi'anPolytechnicUniversity45五.圆柱面回波声压

这里指的是大直径圆柱面反射，即声束直径小于圆柱体直径，且声束沿径向入射到圆柱面的反射。Xi'anPolytechnicUniversity461.实心圆柱体Xi'anPolytechnicUniversity472.空心圆柱体Xi'anPolytechnicUniversity48Xi'anPolytechnicUniversity49

通用AVG曲线的基本原理实用AVG曲线的基本原理3.5AVG曲线Xi'anPolytechnicUniversity

AVG曲线：是描述规则反射体距声源的距离(Abstand)-回波高度（Verstarnung）及当量尺寸（GroBe）之间关系的曲线。A、V、G是德文距离、增益和大小三词的字头。英文中的缩写为DGS（distance-Gain-Size）。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。50一.通用AVG曲线的基本原理

通用AVG曲线对规则反射体距声源和缺陷的当量尺寸进行了归一化，从而能够适用于不同规格的探头。理论依据是圆盘声源轴线上远场中的声压公式和规则反射体反射回波的声压公式。Xi'anPolytechnicUniversity511.基本原理：对于A型脉冲反射式检测仪，荧光屏上的波高与声压成正比，则有2.

归一化处理(消除声程、晶片尺寸和共振频率等对缺陷定量的影响)Xi'anPolytechnicUniversity52用横坐标表示归一化距离A，纵坐标表示相对波高V1和V2，分别利用(5)式和(6)式作图，即可得到大平底和平底孔回波高度与距离的关系曲线。图中最上面一根直线代表底波高度线，以下每一组曲线代表缺陷波高度。这就是AVG曲线，它只适用于远场情况（x>3N）。

Xi'anPolytechnicUniversity53Xi'anPolytechnicUniversity通用平底孔AVG曲线归一化距离A54[例1]用2.5MHz、φ20mm直探头检测厚度为400mm的饼形钢制锻件(cl=5900m/s)，检测中在170mm处发现一缺陷，其回波高比平底回波低10dB。问:(1)

如何利用底波调整φ2

灵敏度？

(2)

求缺陷的当量大小？3.作用：调整灵敏度；确定缺陷当量尺寸。解：根据题设可得

3N=3×42.4=127.2mm<170mm，所以可以应用AVG曲线法。Xi'anPolytechnicUniversity55Xi'anPolytechnicUniversity

查AVG曲线：过A=9.4处作垂线交G=0.1曲线于N点，交B线于M

点，则MN对应的dB值为大平底与φ2平底孔的回波分贝差:△=B-φ2=-16-(-60)=44dB求归一化距离A和归一化尺寸G:

归一化距离A

调整灵敏度：调节仪器使第一次底波B1达基准波高(如满刻度的80%)，在此基础上提高44dB。(1)调节灵敏度：(9.4,-16)(9.4,-60)56

查AVG曲线：过比M点低10dB的P点作水平线，与A=4的垂线相交于Q点，则Q点对应的G值为：Gf=0.3。求归一化距离Af：(2)求缺陷当量尺寸：(9.4,-26)(9.4,-16)

所以缺陷的当量尺寸为：

Df=Gf×DS=0.3×20=6mmXi'anPolytechnicUniversity归一化距离A57[例2]

用2.5P14Z探头检测厚度为420mm饼形钢制工件，钢中cl=5900m/s。利用底波调整φ2平底孔检测灵敏度。检测中在210mm处发现有一缺陷，其回波比底波低26dB，利用AVG曲线确定此缺陷的当量大小。Xi'anPolytechnicUniversity解1：根据题设可得

3N=3×21=63mm<210mm，所以可以应用当量计算法。58Xi'anPolytechnicUniversity

查AVG曲线：过A=20处作垂线交G=0.14曲线于b点，交B线于a点，则ab对应的dB值为大平底与φ2平底孔的回波分贝差:△=B-φ2=-22-(-66)=44dB求归一化距离A和归一化尺寸G:

归一化距离A

调整灵敏度：调节仪器使第一次底波B1达基准波高(如满刻度的80%)，在此基础上提高44dB。(1)调节灵敏度：a(20,-22)b(20,-66)59

查AVG曲线：过比a点低26dB的c点作水平线，与A=10的垂线相交于d

点，则d点对应的G值为：Gf=0.2。求归一化距离Af：(2)求缺陷当量尺寸：

所以缺陷的当量尺寸为：

Df=Gf×DS=0.2×14=2.8mmXi'anPolytechnicUniversitya(20,-22)c(20,-48)d(10,-48)归一化距离A60平底孔AVG曲线

通用AVG曲线的局限性：在使用时要反复进行归一化的距离和缺陷大小与当量大小之间的换算，很不方便。二、实用AVG曲线的基本原理

实用AVG曲线：以声程(mm)为横坐标、相对波高(dB)为纵坐标，以平底孔直径(mm)标注各当量。Xi'anPolytechnicUniversity61以晶片直径为D=20mm，频率f=2.5MHz的纵波直探头在钢中(cl=5900m/s)的AVG曲线为例，介绍纵波平底孔实用AVG曲线的制作。步骤：(1)

确定基准灵敏度：例如距离x=750mm，φ2mm平底孔回波高度为0dB。(2)

计算同孔径不同距离的平底孔的回波dB差。1.实用AVG曲线的制作方法代入距离x2=750mm，分别计算x1=100，200，…时的Δ值。以Δ为纵坐标，x